KR101602417B1 - 저항 발열층를 채용한 가열부재 , 이를 채용한 정착장치 및 화상형성장치 - Google Patents

저항 발열층를 채용한 가열부재 , 이를 채용한 정착장치 및 화상형성장치 Download PDF

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Abstract

개시된 가열부재는 최외곽층에 베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 저항 발열층이 마련되고 이 저항 발열층에 접촉되는 전극을 통하여 전기를 공급함으로써 발열하는 가열부재이다. 저항 발열층에는 그 외표면의 일부를 제거함으로써 전도성 필러를 노출시킨 접촉부가 마련된다. 전극을 이 접촉부에 접촉시킴으로써 전극과 저항 발열층 사이의 접촉저항을 줄일 수 있다.

Description

저항 발열층를 채용한 가열부재 , 이를 채용한 정착장치 및 화상형성장치{Heating member adopting resistive heating layer and fusing device and image forming apparatus using the same}
저항 발열층를 채용한 가열부재, 이를 채용한 정착장치 및 화상형성장치가 개시된다.
전자사진방식을 이용하는 화상형성장치는, 화상수용체에 형성된 정전잠상에 토너를 공급하여 화상수용체 상에 가시적인 토너화상을 형성하고, 이 토너화상을 용지로 전사한 후, 전사된 토너화상을 용지에 정착시킨다. 토너는 베이스 레진에 착색제를 비롯한 다양한 기능성 첨가물을 첨가하여 제조된다. 정착과정은 토너에 열과 압력을 가하는 과정을 수반한다. 전자사진방식 화상형성장치에서 소비되는 에너지 중 상당한 에너지가 정착과정에서 소비된다.
일반적으로 정착장치는 서로 맞물려 정착 닙을 형성하는 가열롤러와 가압롤러를 구비한다. 가열롤러는 할로겐 램프, 저항 발열층 등의 열원에 의하여 가열된다. 토너가 전사된 용지가 정착 닙을 통과하는 동안에 열과 압력이 토너에 가해진다.
저항 발열층에 전기를 공급하기 위한 전극과의 접촉저항을 줄일 수 있는 가열부재, 이를 채용한 정착장치, 및 화상형성장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 가열부재는, 최외곽층에 베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 저항 발열층이 마련되고 상기 저항 발열층에 접촉되는 전극을 통하여 전류를 공급함으로써 발열하는 가열부재로서, 상기 전극이 접촉되는 부분으로서, 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 상기 전도성 필러를 노출시킨 접촉부;를 구비한다.
상기 접촉부는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마, 습식 화학적 에칭, 전기화학적 에칭, 건식 플라즈마 에칭 중 적어도 한 방법에 의하여 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 상기 저항 발열층의 외표면의 제거 두께는 10nm 이상일 수 있다. 상기 저항 발열층의 외표면과 상기 접촉부의 표면조도의 차이는 10nm 이상일 수 있다.
상기 접촉부의 길이는 상기 전극의 길이 이상일 수 있다. 상기 접촉부는 상기 저항 발열층의 길이 방향의 양 단부에 마련되며, 상기 전극은 상기 접촉부에 접촉되도록 상기 가열부재에 결합될 수 있다. 상기 전극은 상기 용지의 폭에 대응되는 길이를 가지며, 상기 접촉부의 길이는 상기 전극의 길이 이상일 수 있다. 상기 전극은 상기 가열부재의 외부에 위치될 수 있다.
상기 가열부재는, 상기 저항 발열층을 지지하는 기재; 상기 저항 발열층과 상기 기재 사이에 마련되어 상기 저항 발열층과 상기 기재를 전기적으로 절연시키는 절연층;을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 가열부재는, 베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 저항 발열층; 상기 저항발열층에 전류를 공급하기 위한 전극이 접촉되는 부분으로서, 상기 저항 발열층의 외표면으로부터 단차지게 형성되며, 상기 전도성 필러가 노출된 접촉부;를 구비한다.
상기 접촉부는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마, 습식 화학적 에칭, 전기화학적 에칭, 건식 플라즈마 에칭 중 적어도 한 방법에 의하여 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 상기 저항발열층에 대한 상기 접촉부의 단차량은 10nm 이상일 수 있다. 상기 저항 발열층의 외표면과 상기 접촉부의 표면조도의 차이는 10nm 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 정착장치는, 용지에 전사된 토너화상을 정착시키는 정착장치로서, 상술한 가열부재와, 상기 가열 부재와 대면되어 정착 닙을 형성하는 닙형성부재와, 상기 접촉부에 접촉되어 상기 저항 발열층에 전류를 공급하는 전극을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 화상형성장치는, 전자사진 프로세스에 의하여 용지의 표면에 토너화상을 형성하는 인쇄유닛; 열과 압력을 이용하여 상기 토너화상을 상기 용지에 정착시키는 것으로서 상술한 정착장치는 포함한다.
전극을 전도성 필러가 노출된 접촉부에 접촉시킴으로써 저항 발열층과 전극과의 접촉저항을 줄일 수 있다. 따라서, 저항 발열층과 전극과의 접촉저항에 의한 전압강하 및 이에 기인하는 전류손실을 줄일 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 가열 부재, 이를 채용한 정착장치 및 화상형성장치의 실시예들에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자사진방식 화상형성장치를 도시한 구성도이다. 도 1에 도시된 화상형성장치는 건식 현상제(이하, 토너라 한다.)를 사용하여 칼라화상을 인쇄하는 건식 전자사진방식 화상형성장치이다.
인쇄유닛(100)은 전자사진 프로세스에 의하여 용지(P)의 표면에 토너화상을 형성한다. 인쇄유닛(100)은, 노광기(30), 현상기(10), 전사기를 구비한다. 본 실시예의 인쇄유닛(100)은 칼라 화상을 인쇄하기 위하여 서로 다른 색상의 토너, 예를 들면 시안(C:cyan), 마젠타(M:magenta), 옐로우(Y:yellow), 블랙(K:black) 색상의 토너가 각각 수용된 4개의 현상기(10)와, 각 현상기(10)에 대응되는 4개의 노광기(30)를 구비한다. 이하에서는 시안(C:cyan), 마젠타(M:magenta), 옐로우(Y:yellow), 블랙(K:black) 색상의 토너가 각각 수용된 4개의 현상기(10)를 10C, 10M, 10Y, 10K로 각각 표기한다. 또, 4개의 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)에 각각 대응되는 4개의 노광기(30)를 30C, 30M, 30Y, 30K로 표기한다.
현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)는 정전잠상이 형성되는 화상수용체인 감광드럼(11)과 정전잠상을 현상시키기 위한 현상롤러(12)를 각각 구비한다. 대전롤 러(13)에는 감광드럼(11)의 외주를 균일한 전위로　대전시키기 위하여 대전바이어스가 인가된다. 대전롤러(13) 대신에 코로나 방전기(미도시)가 채용될 수도 있다. 현상롤러(12)는 그 외주에 토너를 부착시켜 감광드럼(11)으로 공급한다. 현상롤러(12)에는 토너를 감광드럼(11)으로 공급하기 위한 현상바이어스가 인가된다. 도시되지는 않았지만, 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)에는 그 내부에 수용된 토너를 현상롤러(12)로 부착시키는 공급롤러, 현상롤러(12)에 부착된 토너의 양을 규제하는 규제수단, 그 내부에 수용된 토너를 공급롤러 및/또는 현상롤러(12) 쪽을 이송시키는 교반기(미도시) 등을 더 설치될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)에는 대전 전에 감광드럼(11)의 외주에 묻은 토너를 제거하는 클리닝 블레이드와, 제거된 토너를 수용하기 위한 수용공간에 마련될 수 있다.
각 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)는 시안(C:cyan), 마젠타(M:magenta), 옐로우(Y:yellow), 블랙(K:black) 색상의 화상정보에 대응되는 광을 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)으로 주사한다. 본 실시예에서는 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)로서 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 LSU(laser scanning unit)가 채용된다.
전사기는, 예를 들면, 용지반송벨트(20)와 4개의 전사롤러(40)를 포함할 수 있다. 용지반송벨트(20)는 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 외부로 노출된 감광드럼(11)의 외주면과 대면된다. 용지반송벨트(20)는 다수의 지지롤러들(21)(22)(23)(24)에 의해 지지되어 순환주행된다. 4개의 전사롤러(40)는 용지반송벨트(20)를 사이에 두고 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)과 대면 되는 위치에 배치된다. 전사롤러(40)에는 전사바이어스가 인가된다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 칼라화상형성과정을 설명한다.
각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(12)은 대전롤러(13)에 인가된 대전바이어스에 의하여 균일한 전위로 대전된다. 4개의 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)은 각각 시안, 마젠타, 옐로우, 블랙 색상의 화상정보에 대응되는 광을 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)으로 주사하여 정전잠상을 형성시킨다. 현상롤러(12)에는 현상바이어스가 인가된다. 그러면 현상롤러(12)의 외주에 부착된 토너가 정전잠상으로 부착되어 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)에 각각 시안, 마젠타, 옐로우, 블랙 색상의 토너화상이 형성된다.
토너를 최종적으로 수용하는 매체, 예를 들면 용지(P)는 픽업롤러(121)에 의하여 카세트(120)로부터 인출된다. 용지(P)는 이송롤러(122)에 의하여 용지반송벨트(20)로 공급되며, 용지(P)는 정전기적인 힘에 의하여 용지반송벨트(20)의 표면에 부착되어 용지반송벨트(20)의 주행선속도와 동일한 속도로 이송된다.
예를 들면, 현상기(10C)의 감광드럼(11)의 외주면에 형성된 시안(C)색상의 토너화상의 선단이 전사롤러(40)와 대면된 전사닙으로 도달되는 시점에 맞추어 용지(P)의 선단이 전사닙에 도달된다. 전사롤러(40)에 전사바이어스가 인가되면 감광드럼(11)에 형성된 토너화상은 용지(P)로 전사된다. 용지(P)가 이송됨에 따라 현상기(10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)들에 형성된 마젠타(M), 옐로우(Y), 블랙(K) 색상의 토너화상은 순차적으로 용지(P)에 중첩 전사되어, 용지(P)에는 칼라 토너화상이 형성된다.
용지(P)에 전사된 칼라 토너화상은 정전기적인 힘에 의하여 용지(P)의 표면에 유지된다. 정착장치(300)는 열과 압력을 이용하여 칼라토너화상을 용지(P)에 정착시킨다. 정착이 완료된 용지(P)는 배출롤러(123)에 의하여 화상형성장치 밖으로 배출된다.
도 2는 도 1에 도시된 화상형성장치에 채용된 정착장치(300)의 일 실시예의 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 가열 부재(310)의 일 실시예의 부분 단면도이다. 도 2 및 도 3을 보면, 가열 부재(310)와, 이와 대면되어 정착 닙(N)을 형성하는 닙형성부재(320)가 도시되어 있다. 일 예로서, 닙형성부재(320)는 금속 심재(321)에 탄성층(322)이 형성된 롤러 형태이다. 가열 부재(310)와 닙형성부재(320)는 도시되지 않은 바이어스 수단, 예를 들면 스프링에 의하여 서로 맞물리는 방향으로 바이어스된다. 닙형성부재(320)의 탄성층(322)이 일부 변형됨으로써 가열 부재(310)로부터 용지(P) 상의 토너로의 열전달이 이루어지는 정착 닙(N)이 형성된다.
가열 부재(310)는 저항 발열층(313)과 이를 지지하는 기재(311), 및 저항 발열층(313)에 전압을 인가하기 위한 전극(331)(332)을 구비한다. 본 실시예의 가열 부재(310)는 원통 형상의 코어를 기재(311)로써 채용하여 전체적으로 롤러 형태이다. 기재(311)가 금속인 경우에, 저항 발열층(313)과 기재(311)를 전기적으로 절연시키기 위한 절연층(312)이 저항 발열층(313)과 기재(311) 사이에 마련될 수 있다. 기재(311)는 PPS(polyphenylene sulfide), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide), 폴리케톤(polyketone), PPA(polyphthalamide), PEEK(polyether-ether-ketone), PES(polyethersulfone), PEI(polyetherimide)등의 고온에서도 기계적 특성이 우수한 고내열성 플라스틱 등으로 제조될 수 있다. 이 외에도 기재(311)의 재료로서는 정착장치의 통상적인 사용온도에서 기계적 특성이 유지되는 어떤 재료라도 사용이 가능하다. 기재(311)로서 고내열성 플라스틱 등 비도전성 재료가 채용되는 경우에는 절연층(312)이 생략될 수 있다. 절연층(312)에 사용될 수 있는 재료로는 전기적 절연성을 가지는 폴리머들이 있다. 또, 전술한 고내열성 플라스틱도 절연층(312)의 재료로서 채용될 수 있다. 또, 단열특성을 가지도록 하기 위하여 절연층(312)의 재료로서 스펀지(sponge)나 폼(foam) 형태의 폴리머가 채용될 수도 있다.
가열부재(310)는 탄성층을 구비할 수 있다. 일 예로서, 저항 발열층(313)의 베이스 물질로서 탄성을 가지는 내열성 폴리머를 채용함으로써 저항 발열층(313)이 탄성층의 역할을 겸하도록 할 수 있다. 또, 절연층(312)의 재료로서 탄성을 가지는 폴리머를 채용함으로써 절연층(312)이 탄성층의 역할을 겸하도록 할 수도 있다.
본 실시예의 정착장치에는 열원으로서 저항 발열층(313)을 채용한 가열 부재(310)가 적용된다. 저항 발열층(313)은 가열부재(310)의 최외곽층을 형성한다. 저항 발열층(313)는 베이스 물질에 전도성 필러를 분산한 것이다. 베이스 물질은 정착온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가지는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 베이스 물질은 탄성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 베이스 물질로서, PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 실리콘 고무와 같은 고내열성 엘라스토머 채용될 수 있다. 또, 용지(P)위의 토너가 가열 부재(310)의 표면으로 옮겨붙는 오프 셋(offset)을 방지하기 위하여, 베이스 물질은 이형성이 우수한 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 플루오로 폴리머(fluoropolymer) 계통의 재료가 채용될 수 있다.
저항 발열층(313)에 전압이 인가되면 주울 열(Joule heat)이 발생된다. 전도성 필러로는 철, 니켈, 코발트, 알루미늄, 금, 은 등의 금속계 필러 및/또는 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소단섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 코일 등의 탄소계 필러가 채용될 수 있다. 금속계 필러는 침상, 판상, 원형 등 다양한 형상일 수 있다. 또, 열전도도를 향상시키기 위하여 저항 발열층(313)에는 알루미나, 산화철 등의 금속 산화물이 첨가될 수도 있다. 전도성 필러들은 베이스 레진 내에서 무작위(random)로 도는 특정 방향으로 배향되어 전도성 네트워크를 형성한다.
전극(331)(332)은 저항 발열층(313)의 외표면에 접촉된다. 전극(331)(332)은 저항 발열층(313)의 외표면에 노출된 전도성 필러와 접촉된다. 전극(331)(332)에 전압이 인가되면, 전도성 필러에 의하여 형성된 전도성 네트워크에 전류가 흐르며, 저항 발열층(313)에는 주울열이 발생된다. 전극(331)(332)의 재료로서는 전기 전도도가 높은 금속이 채용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 투명 전극 재료로 널리 사용되는 ITO(indium tin oxide)나, PEDOT(poly-3, 4-ethylenedioxythiophene), PPy(polypyrrole)와 같은 전기전도도가 우수한 도전성 폴리머나, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소필라멘트, 탄소코일, 카본 블랙 등의 탄소소재 또는 이들로 이루어진 복합재가 전극(331)(332)의 재료로서 채용될 수 있다.
화상형성을 위하여는 정착장치가 소정의 정착온도에 근접한 온도로 가열되어야 한다. 정착장치의 가열 시간을 줄일수록 인쇄를 명령이 수신된 후에 첫 페이지가 인쇄되어 나오기까지의 시간이 짧아지게 된다. 일반적으로, 전자사진방식 화상형성장치에서, 정착장치는 인쇄를 수행할 경우에만 가열되고 대기시간에는 작동할 필요가 없다. 그러나, 인쇄를 다시 시작할 경우 정착장치를 가열하는데 다시 시간이 필요하다. 다시 인쇄를 수행하기까지의 소요시간을 줄이기 위하여 정착장치는 대기모드 시에도 일정 온도를 유지하도록 제어된다. 만약 정착장치의 온도를 인쇄를 수행할 수 있는 온도까지 승온시키는데 소요되는 시간이 충분이 짧아질 수 있다면 대기모드 시의 예열이 필요없게 되며 정착장치에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.
저항 발열층(313)의 발열 온도와 승온 속도는 저항 발열층(312)의 두께, 길이와 같은 기하학적인 치수(dimension), 비열 및 전기 전도도와 같은 물리적 특성에 의존한다. 저항 발열층(313)은 10-5 S/m 이상의 전기전도도를 가질 수 있다. 저항 발열층(313)의 저항을 작게 할수록 가열부재(310)는 높은 효율로, 또 신속하게 가열된다. 일반적으로 저항 재료의 저항(R)은 재료의 길이에 비례하며, 재료의 단면적과 전기전도도에 반비례한다. 저항 발열층(313)의 저항을 작게 하기 위하여 전기 전도도를 증가시키는 방안을 고려할 수 있다. 전기 전도도의 증가는 전도성 필러 함량의 증가, 필러의 정렬성 향상, 필러의 분산도 조절 등을 통해 이룰 수 있다. 하지만 필러 함량의 증가는 저항 발열층(313)의 기계적 물성의 저하를 가져와 가열부재(310)의 수명 단축을 초래할 수 있으므로, 필러의 함량을 증가시키는 데에는 한계가 있다.
전극(331)(332)과 저항 발열층(313)과의 접촉 저항을 작게 할수록 많은 전류를 용이하게 저항 발열층(313) 내부로 공급할 수 있다. 즉, 전극(331)(332)과 저항 발열층(313)과의 접촉저항이 커지면, 접촉저항에 의하여 전압강하가 일어나서 실제로 저항 발열층(313)에 인가되는 전압이 전극(331)(332) 사이에 인가되는 전압보다 낮아지게 되어 전류 공급량이 줄어들게 된다.
본 실시예의 가열부재(310)는 접촉부(313a)를 구비하며, 전극(331)(332)은 접촉부(313a)에 접촉된다. 접촉부(313a)는 저항 발열층(313)의 외표면을 일부 제거함으로써 형성된다. 도 4를 보면, 참조부호 S1은 외표면을 일부 제거하기 전의 저항 발열층(313)의 외표면을 표시한다. 전도성 필러(f4)는 외표면(S1)으로부터 노출되어 있기 때문에 전극(331)(332)과 접촉되어 유효한 전자의 이동 통로가 된다. 또, 전도성 필러(f2, f3, f5)는 외표면(S1)과 가깝기 때문에 터널링 효과에 의하여 전극(331)(332)과의 사이에 전자의 이동이 가능한 전도성 필러이다. 그러나, 전도성 필러(f1, f6)는 외표면(S1)으로부터 멀리 위치되어 있기 때문에 유효한 전자 이동의 통로로 사용될 수 없는 전도성 필러이다. 전극(331)(332)과의 사이에서 전자의 이동이 불가능한 전도성 필러(f1, f6)가 많으면, 전극(331)(332)과 저항 발열층(313)과의 접촉 저항이 커져서 저항 발열층(313)으로 공급되는 전류가 감소된다.
도 4에서 참조부호 S2는 저항 발열층(313)의 외표면을 일부 제거하여 형성되는 접촉부(313a)의 표면을 표시한다. 표면(S2)를 기준으로 보면, 전도성 필러(f2, f3, f4, f5)는 전극(331)(332)과의 직접 접촉에 의하여 유효한 전자의 이동가 될 수 있다. 전도성 필러(f6)는 터널링 효과에 의하여 유효한 전자의 이동통로가 될 수 있다. 이와 같이, 저항 발열층(313)의 외표면을 일부 제거하여 제거된 표면(S2)에 노출되거나 또는 터널링 효과에 의하여 유효한 전자의 이동 통로가 되는 전도성 필러의 수를 증가시킨 접촉부(313a)를 마련함으로써, 전극(331)(332)과 저항 발열층(313)과의 접촉저항을 줄일 수 있다. 따라서, 전극(331)(332)과 저항 발열층(313) 사이의 접촉저항으로 인한 전압강하를 줄여 저항 발열층(313)으로 많은 전류를 효과적으로 공급할 수 있다.
접촉부(313a)는 기계적 연마(mechanical polishing), 화학적 기계적 연마(chemical-mechanical polishing), 습식 화학적 에칭(wet chemical etching), 전기화학적 에칭(electrochemical etching), 건식 플라즈마 에칭(dry plazma etching) 등의 다양한 공정에 의하여 저항 발열층(313)의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 화학적 에칭 공정이 채용되는 경우에, 용매(solvent)로서는 저항 발열층(313)에 사용된 베이스 물질의 용해성, 반응성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 메탄올(methanol), 자일렌(xylene), 벤젠(benzene), 펜테인(pentane), 헥세인(hexane), 디메틸 카보네이트(dimethyle carbonate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 클로로포름(chloroform), 트리에틸아민(triethylamine), 테트라하이드로퓨란(THF: tetrahydrofuran), 디메틸포름아미드(DMF: dimethylformamide), 등의 용매가 화학적 에칭의 용매로 고려될 수 있다. 또, 아세트산(acetic acid), 수산화 암모늄(ammonium hydroxide), 클로로아세트산(chloroacetic acid), 디프로필아민(dipropylamine), 염산(hydrochloric acid), 질산(nitric acid), 인산(phosphoric acid), 수산화칼륨(potassium hydroxide), 수산화나트륨(sodium hydroxide), 황산(sulfuric acid), TFA(trifluoroacetic acid) 등의 산(acid)이 용매로서 고려될 수도 있다. 화학적 에칭 시에는 식각 속도나 식각 두께 등을 조절하기 위하여 에칭 시간 및 용매의 농도를 적절하게 조절할 수 있다.
예를 들어, PDMS를 베이스 물질로 하고 여기에 SWNT(single wall carbon nanotube)를 1 중량 퍼센트(wt%)분산시킨 저항 발열층 시료와 역시 PDMS를 베이스 물질로 하고 여기에 SWNT(single wall carbon nanotube)를 2 중량 퍼센트(wt%)분산시킨 저항 발열층 시료를 만든다. 두 종류의 시료의 표면에 전극을 연결하고 전기 전도도를 측정한다. 다음으로, 두 종류의 시료의 표면을 99%농도의 TFA를 용매로 하여 화학적 에칭 처리한 후에 에칭된 표면에 전극을 연결하고 전기 전도도를 측정한다. 이 경우, 아래 표 1에 도시된 바와 같이, 에칭 처리한 경우에 전기 전도도가 향상되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는, 에칭 처리 전의 시료의 표면에 비하여 에칭 처리 후의 시료 표면에 노출된 SWNT의 양이 많기 때문이다.
[표 1]
SWNT
[wt%]		 용매 에칭 시간
[sec]		 에칭 전 전기전도도[S/m] 에칭 후 전기전도도[S/m] 전기 전도도의 변화[%]
1 TFA(99%) 10 0.58 1.27 119.0
1 TFA(99%) 30 0.55 1.69 207.3
1 TFA(99%) 60 0.55 2.25 309.9
2 TFA(99%) 10 1.65 2.22 34.4
2 TFA(99%) 30 1.78 2.49 40.0
2 TFA(99%) 60 2.22 3.76 69.1
또, 예를 들어, PDMS를 베이스 물질로 하고 여기에 SWNT(single wall carbon nanotube)를 2 중량 퍼센트(wt%)분산시킨 저항 발열층 시료를 만든 후에, 이 시료의 접촉저항(contact resistance), 전달길이(transfer length), 및 비접촉저항(specific contact resistance)를 측정한다. 또, 위의 시료의 표면을 99% 농도의 TFA를 용매로 하여 약 1분간 화학적 에칭처리한다. 그리고, 접촉저항(contact resistance), 전달길이(transfer length), 및 비접촉저항(specific contact resistance)를 측정한다, 그 결과, 아래 표 2에 도시된 바와 같이, 화학적 에칭처리를 한 경우에 접촉저항과 비접촉저항이 크게 낮아지고, 전달길이가 크게 짧아진 것을 확인할 수 있다. 위의 실험에서 전극으로서는 2×12mm의 은(Ag)전극이 사용된다.
[표 2]
SWNT
[wt%]		 TFA처리여부 접촉저항
[Ω]		 전달길이
[mm]		 비접촉저항
[Ω㎝2]
2 No 39.08 0.89 4.15
2 Yes 10.37 0.45 0.56
접촉부(313a)는 기재(311)의 외주에 절연층(312) 및/또는 저항 발열층(313)을 형성한 후에 상술한 연마 또는 에칭 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 또, 튜브 형상의 저항 발열층(313)을 형성하고, 연마 또는 에칭 공정에 의하여 접촉부(313a)를 형성한 후에, 접촉부(313a)가 형성된 튜브 형상의 저항 발열층(313)을 기재(311) 또는 절연층(312)에 삽입할 수도 있다. 또, 튜브 형상의 저항 발열층(313)을 기재(311)에 삽입하고, 저항발열층(313)의 외주를 금형으로 지지하고 저항 발열층(313)과 기재(311) 사이에 절연물질을 주입하여 절연층(312)을 형성한 후에, 저항 발열층(313)의 외표면을 연마 또는 에칭 공정에 의하여 식각함으로써 접 촉부(313a)를 형성할 수 있다. 가열부재(310)의 제조방법은 상술한 예에 한정되지 않는다.
접촉부(313a)를 형성하기 위한 저항 발열층(313)의 외표면의 제거 두께, 즉 연마 또는 식각량은 저항 발열층(313)의 재질과 전도성 필러의 종류, 형상 등에 따라 적절히 결정될 수 있다. 예를 들어, 연마 또는 식각량은 터널링 효과를 유발할 수 있는 최소 두께 이상일 수 있다. 예를 들어 연마 또는 식각량은 약 10nm 이상으로 할 수 있다. 즉, 접촉부(313a)는 저항 발열층(313)의 외표면으로부터 약 10nm 이상 단차질 수 있다. 예를 들어, 화학적 에칭을 이용하는 경우에 용매의 농도, 에칭시간은 식각량이 10nm 이상이 되도록 적절히 선정될 수 있다. 이에 의하여, 접촉부(313a)의 표면으로 노출되거나 또는 터널링 효과에 의하여 전류의 유효한 이동통로가 될 수 있는 전도성 필러의 양을 증가시킬 수 있다.
또, 연마 또는 에칭에 의하여 형성되는 접촉부(313a)의 표면조도와 연마 또는 에칭 전의 저항 발열층(313)의 외표면의 표면조도의 차이는 10nm 이상일 수 있다. 연마 또는 에칭 후의 표면조도는 연마 또는 에칭 전의 표면조도보다 클 수 있으며, 그보다 작을 수도 있다. 왜냐하면, 연마 또는 에칭 전의 표면조도가 높은 경우, 즉 성형된 저항발열층(313)의 외표면이 거친 경우에는 연마 또는 에칭에 의하여 표면조도가 감소할 수 있기 때문이다.
본 실시예에 따르면 저항 발열층(313)의 외표면을 일부 제거하여 전극(331)(332)과의 사이에서 전자의 이동 통로로서 유효하게 기능할 수 있는 전도성 필러의 수를 늘임으로써 전극(331)(332)과 저항 발열층(313)과의 접촉저항을 줄일 수 있다. 따라서, 저항 발열층(313)으로 공급되는 전류를 증가시켜 저항 발열층(312)의 발열 온도 및/또는 승온 속도를 높일 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서는 접촉부(313a)가 가열 부재(310)의 길이방향의 양단부에 마련된 경우에 대하여 설명하였으나, 접촉부(313a)의 위치와 형태는 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 저항 발열층(313)에 전류를 공급하기 위한 전류공급전극으로서, 정착을 위하여 사용되는 용지(P)의 폭에 대응되는 길이(L1)를 갖는 전극(351)(352)(361)을 채용할 수 있다. 이 구성에 의하면, 전류는 저항 발열층(313)의 원주방향으로 흐르게 되어, 매우 짧은 전류 경로를 가지게 된다. 즉, 전류 경로를 짧게 함으로써 저항 발열층(313)의 전기 저항을 줄일 수 있다. 저항이 낮다는 것은 많은 전류를 공급할 수 있다는 것을 의미하므로, 저항 발열층(313)으로서 전기 전도도가 낮은 재료를 사용할 수 있다. 따라서, 저항 발열층(313)의 재료 선택에 있어서의 제약이 적어지므로 전기 전도도가 다소 낮더라도 기계적 성능이 우수한 재료를 저항 발열층(313)의 재료로 채용할 수 있다. 또, 저항 발열층(313)의 외표면에 전극(351)(352)(361)을 접촉시킨다. 이 구성에 의하면, 저항 발열층(313)에서 발생된 열이 기재(311)를 가열시키는 등의 과정을 통하여 손실되지 않고 정착 닙(N)으로 공급되도록 한다.
이 경우에, 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들면 식각, 연마 등의 방법에 의하여 저항 발열층(313)의 외표면의 일부를 제거하여 접촉부(313b)가 형성된 가열부재(310a)가 채용될 수 있다. 전극(351)(352)(361)은 접촉부(313b)에 접촉된다. 접 촉부(313b)의 길이(L1)는 전극(351)(352)(361)의 길이(L2) 이상이다.
전극(351)(352)은 경계전극, 전극(361)은 전위차 형성전극이라 한다. 경계 전극(351)(352)은 가열부재(310a)의 주행방향, 즉 가열부재(310a)의 회전방향으로 서로 이격되게 위치되고, 접촉부(313a)에 접촉된다. 경계 전극(351)(352)은 같은 전위(V1)를 갖는다. 전위차 형성전극(361)은 경계 전극(351)(352) 사이에 위치되고, 접촉부(313a)에 접촉된다. 전위차 형성전극(361)은 경계 전극(351)(352)의 전위(V1)와 다른 전위(V2)를 갖는다. 이에 의하여 전위차 형성전극(361)와 경계 전극(351)(352) 사이에는 전위차가 형성된다. 이 전위차에 의하여 전류는 저항 발열층(313)의 표면을 따라 흐르게 된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 경계 전극(351)(352)에 동전위의 (-) 전위를 인가하고, 전위차 형성전극(361)에 (+) 전위를 인가하면, 전류(i)는 가열범위, 즉 경계 전극(351)(352)에 의하여 구획되고 전위차 형성전극(361)이 위치된 영역(A)에만 흐른다. 경계 전극(351)(352)의 전위가 동일하므로, 영역(A)를 제외한 나머지 영역에서는 전위차가 형성되지 않아서 전류가 흐르지 않는다. 영역(A)에서는 저항 발열층(313)의 표면으로 원주방향으로 흐르는 전류(i)에 의하여 열이 발생된다. 가열부재(310a)가 회전됨에 따라 가열된 영역(A)이 정착 닙(N)에 도달되며, 열은 저항 발열층(310)의 외주로부터 직접 용지(P) 및 그 위에 정전기적 인력에 의하여 부착된 토너로 전달된다.
상술한 바와 같이, 저항 발열층(313)의 표면을 따라 원주방향으로 전류가 흐를 수 있도록 경계 전극(351)(352)과 전위차 형성전극(361)을 배치하여 저항 발열층(313)의 저항을 감소시킬 수 있다. 또, 접촉부(313b)를 마련함으로써 전 극(351)(352)(361)과의 접촉저항을 줄일 수 있다. 따라서, 주어진 전도성 필러의 함량 조건에서 더 높은 효율로 신속한 발열이 가능하다. 저항 발열층(313)의 발열특성의 열화를 줄이면서, 저항 발열층(313)에 첨가하는 전도성 필러의 양을 저항 발열층(313)의 경도, 인장 및 압축 강도 등의 기계적 물성이 정착 장치에 적합한 범위에서 조절할 수 있다. 또, 저항 발열층(313)에서 발생된 열이 저항 발열층(313)의 표면을 통하여 바로 정착 닙(N)으로 공급되므로, 기재(311) 등으로 전달되어 손실되는 열을 줄일 수 있어, 열효율을 향상시킬 수 있다. 또, 저항 발열층(313)의 가열범위만을 가열할 수 있으므로 가열범위에서의 빠른 승온이 가능하여, 고속 정착이 가능한 정착장치를 구현할 수 있다. 또, 저항 발열층(313)에 전류를 공급하기 위한 전극들이 가열부재(310a)와 분리되어 있어서, 가열부재(310a)의 구조가 단순해져서 가열부재(310a)의 제작이 용이해진다. 또, 가열부재(310a)의 크기의 변화에 무관하게 저항 발열층(313)의 저항값을 유지할 수 있어 가열부재(310a)의 표면 온도 조절이 용이하다. 다시 말하면 가열부재(310a)의 직경이 커지더라도 경계 전극(351)(352) 사이의 간격을 일정하게 유지하면 가열범위가 변경되지 않으므로 가열 범위 내에서의 저항 발열층(313)의 저항은 일정하게 유지된다. 정착장치(300)의 경우에 정착 닙(N)이 위치되는 부분이 용지(P)와 접촉되어 있으며, 전류의 누설은 정착 닙(N)을 통하여만 가능하다. 가열범위를 정착 닙(N)을 제외한 영역으로 함으로써 전류의 누출에 위한 감전 위험을 방지할 수 있다.
도 2 내지 도 7에서는 롤러 형태의 가열부재(310, 310a)를 채용한 정착장치(300)에 대하여 설명하였으나, 도 8에 도시된 바와 같이 벨트 형태의 가열부 재(310b)가 채용될 수도 있다. 도 9를 보면, 가열 부재(310b)는 지지롤러(341)(342)에 의하여 지지되어 순환주행된다. 닙형성부재(320)는 가열부재(310b)를 사이에 두고 지지롤러(342)와 대면되어 정착 닙(N)을 형성한다.
도 9를 보면, 가열부재(310b)는 벨트 형태의 기재(311a)와 저항 발열층(313)을 구비한다. 기재(311a)는 정착 닙(N)에서 유연하게 변형되고 정착 닙(N)을 벗어난 후에는 원래 상태로 회복될 수 있는 정도의 유연성을 가질 수 있도록 선정될 수 있다. 예를 들어, 기재(311a)는 내열성 폴리머, 또는 금속박막일 수 있다. 일 예로서, 기재(311a)는 두께 약 35미크론 정도의 스테인레스 스틸 박막일 수 있다. 기재(311a)와 저항 발열층(313) 사이에는 절연층(312)이 개재될 수 있다. 저항 발열층(313)의 양단부에는 연마 또는 에칭에 의하여 전도성 필러가 표면으로 노출된 접촉부(313c)가 마련된다. 전극(331a)(32a)는 접촉부(313c)에 접촉된다. 본 실시예에서 전극(331a)(332a)는 지지롤러(341)과 대면되어 있으나, 전극(331a)(332a)의 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전극(331a)(332a)은 정착닙(N)과 가까운 지지롤러(342)와 대면될 수 있다. 접촉부와 전극의 형태는 도 9에 도시된 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도면으로 도시되지는 않았지만, 가열부재(310b)의 양단부 전체에 걸쳐 접촉부가 형성되고, 전극 또한 이러한 형태의 접촉부에 접촉될 수 있는 형태를 가질 수도 있다.
도 10에 도시된 실시예는, 용지의 폭에 대응되는 길이를 가진 전극(353)(354)(362)이 채용되는 점, 저항발열층(313)의 외표면 전체 또는 적어도 전극(353)(354)(362)의 길이에 대응되는 영역에 연마 또는 에칭 공정에 의하여 전도 성 필러가 노출된 접촉부(313d)가 마련되는 가열부재(310c)가 채용되는 점에서 도 9에 도시된 실시예와 차이가 있다. 전극(353)(354)는 접촉부(313d)에 접촉되어 가열범위를 규정하는 경계전극이며, 전극(362)은 전극(353)(354) 사이에 위치되고 접촉부(313d)에 접촉되어 전위차를 형성하는 전위차 형성전극이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자사진방식 화상형성장치 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치의 종단면도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치의 횡단면도.
도 4는 접촉부에 의하여 전도성 필러가 노출되는 모습을 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치로서 가열부재의 길이에 대응되는 길이를 갖는 전극을 채용하는 경우를 도시한 종단면도.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치의 사시도.
도 7은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치에서 가열범위를 상세히 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치로서 벨트 형상의 가열부재를 채용한 경우를 도시한 사시도.
도 9는 도 8에 도시된 가열부재의 단면도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치로서 벨트 형상의 가열부재와 가열부재의 길이에 대응되는 길이를 갖는 전극을 채용한 경우를 도시한 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10......현상기 11......감광드럼
20......용지이송벨트 30......노광기
40......전사롤러 100......인쇄유닛
300......정착장치 310, 310a, 310b, 310c......가열 부재
311, 311a......기재 312......절연층
313......저항 발열층 313a,313b, 313c, 313d......접촉부
320......닙형성부재 341, 332......지지롤러
351, 352, 353, 354......경계 전극 361, 362......전위차 형성전극
N......정착 닙

Claims (24)

  1. 최외곽층에 베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 저항 발열층이 마련되고 상기 저항 발열층에 접촉되는 전극을 통하여 전류를 공급함으로써 발열하는 가열부재로서,
    상기 전극이 접촉되는 부분으로서, 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 상기 전도성 필러를 노출시킨 접촉부;를 구비하는 가열부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마, 습식 화학적 에칭, 전기화학적 에칭, 건식 플라즈마 에칭 중 적어도 한 방법에 의하여 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성되는 가열부재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항 발열층의 외표면의 제거 두께는 10nm 이상인 가열부재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저항 발열층의 외표면과 상기 접촉부의 표면조도의 차이는 10nm 이상인 가열부재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부는 상기 저항 발열층의 길이 방향의 양 단부에 마련되는 가열부재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부의 길이는 상기 전극의 길이 이상인 가열부재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항 발열층을 지지하는 기재;
    상기 저항 발열층과 상기 기재 사이에 마련되어 상기 저항 발열층과 상기 기재를 전기적으로 절연시키는 절연층;을 더 구비하는 가열부재.
  8. 베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 저항 발열층;
    상기 저항발열층에 전류를 공급하기 위한 전극이 접촉되는 부분으로서, 상기 저항 발열층의 외표면으로부터 단차지게 형성되며, 상기 전도성 필러가 노출된 접촉부;를 구비하는 가열부재.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접촉부는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마, 습식 화학적 에칭, 전기화학적 에칭, 건식 플라즈마 에칭 중 적어도 한 방법에 의하여 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성되는 가열부재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저항발열층에 대한 상기 접촉부의 단차량은 10nm 이상인 가열부재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 저항 발열층의 외표면과 상기 접촉부의 표면조도의 차이는 10nm 이상인 가열부재.
  12. 용지에 전사된 토너화상을 정착시키는 정착장치로서,
    베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 것으로서 최외곽층을 형성하는 저항 발열층과, 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 상기 전도성 필러를 노출시킨 접촉부를 구비하는 가열부재;
    상기 가열 부재와 대면되어 정착 닙을 형성하는 닙형성부재;
    상기 접촉부에 접촉되어 상기 저항 발열층에 전류를 공급하는 전극;을 포함하는 정착장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 접촉부는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마, 습식 화학적 에칭, 전기화학적 에칭, 건식 플라즈마 에칭 중 적어도 한 방법에 의하여 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성되는 정착장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 저항 발열층의 외표면의 제거 두께는 10nm 이상 제거된 정착장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 저항 발열층의 외표면과 상기 접촉부의 표면조도의 차이는 10nm 이상인 정착장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 접촉부는 상기 저항 발열층의 길이 방향의 양 단부에 마련되며, 상기 전극은 상기 접촉부에 접촉되도록 상기 가열부재에 결합되는 정착장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 전극은 상기 용지의 폭에 대응되는 길이를 가지며,
    상기 접촉부의 길이는 상기 전극의 길이 이상인 정착장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전극은 상기 가열부재의 외부에 위치되는 정착장치.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항 발열층을 지지하는 기재;
    상기 저항 발열층과 상기 기재 사이에 마련되어 상기 저항 발열층과 상기 기재를 전기적으로 절연시키는 절연층;을 더 구비하는 정착장치.
  20. 용지에 전사된 토너화상을 정착시키는 정착장치로서,
    베이스 물질 내에 전도성 필러가 분포된 저항 발열층과, 상기 저항 발열층의 외표면으로부터 단차지게 형성되며 상기 전도성 필러가 노출된 접촉부를 구비하는 가열부재;
    상기 가열 부재와 대면되어 정착 닙을 형성하는 닙형성부재;
    상기 접촉부에 접촉되어 상기 저항 발열층에 전류를 공급하는 전극;을 포함하는 정착장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 접촉부는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마, 습식 화학적 에칭, 전기화학적 에칭, 건식 플라즈마 에칭 중 적어도 한 방법에 의하여 상기 저항 발열층의 외표면의 일부를 제거함으로써 형성되는 정착장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 저항발열층에 대한 상기 접촉부의 단차량은 10nm 이상인 정착장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 저항 발열층의 외표면과 상기 접촉부의 표면조도의 차이는 10nm 이상인 정착장치.
  24. 전자사진 프로세스에 의하여 용지의 표면에 토너화상을 형성하는 인쇄유닛;
    열과 압력을 이용하여 상기 토너화상을 상기 용지에 정착시키는 것으로서, 제12항 내지 제18항 또는 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 정착장치;를 포함하는 전자사진방식 화상형성장치.
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